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개구리밥(duckweed)이라고도 하는 울피아(Wolfia)는 식물 중 가장 빨리 자라는 종 중 하나이지만, 이 기묘한 작은 식물이 어떻게 빨리 성장하는지에 대한 유전적인 특징은 오랫동안 수수께끼였다.

과학자들은 유전자 분석기술의 발달로 무엇이 이 식물을 독특하게 만드는지 분석하기 시작했다. 그 과정에서 과학자들은 식물 생물학 및 식물 성장의 몇 가지 기본 원리를 발견했다고 발표했다.

소크 연구소(Salk Institute) 연구팀은 개구리밥의 성장 비밀을 설명하는 연구결과를 ‘게놈 리서치(Genome Research)’ 저널 2월 호에 발표했다.

연구팀은 이 식물이 오로지 빨리 자라는 방향으로 게놈이 특성화되어 있으며, 성장하기 위해서는 다른 요소를 포기했음을 발견했다. 예를 들어 뿌리를 깊게 내린다거나, 해충으로부터 보호하는 활동 등이다.

어두운 시간에도 잘 자라

남극대륙을 제외한 모든 대륙의 담수에서 자라는 개구리밥은 물에 떠다니는 작은 녹색 씨앗처럼 생겼다. 크기라고 해야 핀헤드(pinhead)만하다. 뿌리도 없고 엽상체(frond)라고 하는 융합된 줄기잎 구조만 가지고 있다. 개구리밥은 효모와 비슷하게 엄마 식물에서 딸 식물이 무성생식으로 싹을 틔워 나온다.

이 식물이 두 배로 증식하는 데 걸리는 시간은 불과 하루 정도이다. 이 때문에 일부 전문가들은 개구리밥이 증가하는 인구를 먹이는 중요한 단백질 공급원이 될 수 있다고 생각한다. 개구리밥은 이미 동남아시아 일부 지역에서 식용으로 먹는다. 물계란이라는 의미의 ‘카이남'(khai-nam)으로 알려져 있다.

연구진은 개구리밥이 그렇게 빨리 자라는 유전적인 이유를 찾기 위해 개구리밥을 빛과 어둠 속에서 주기적으로 재배하고 그 내용을 분석했다. 하루 중 어떤 유전자가 각각 어느 시간에 활동했는지 알아냈다. 식물의 성장은 빛과 어둠의 주기에 의해 조절되는데 대부분의 성장은 주로 오전에 일어난다.

개구리밥 중에서 분석 대상으로 삼은 Wolfia australiana의 게놈을 분석해보니 단백질 부호화 유전자가 약 1만 5000개로 매우 적었다. 특이한 것은 뿌리 발달과 광신호에 관련된 유전자를 포함하여 꽃 식물에 많이 있는 수백 개의 유전자가 존재하지 않았다.

마이클 교수는 “개구리밥은 다른 식물들에 비해 빛과 어둠 주기에 의해 조절되는 유전자가 절반밖에 되지 않았다”고 설명했다. 마이클은 “우리는 개구리밥이 그렇게 빨리 성장하는 이유가 이것이라고 생각한다. 다시 말해 성장 시기를 제한하는 규정이 적다”고 말했다.

식량 생산 및 탄소 포집에 응용 가능

연구원들은 또한 방어 메커니즘이나 뿌리 성장과 같은 다른 활동 요소와 관련된 유전자가 존재하지 않는다는 것을 발견했다. 성장을 제외한 필요 없는 대부분의 유전자를 크게 줄이거나 없앤 것이다. 마이클 교수는 “개구리밥은 통제되지 않고 빠른 성장에만 초점을 맞추도록 진화한 것 같다”고 설명했다.

이번 논문의 공동저자인 소크 연구소의 조셉 엑커(Joseph Ecker) 교수는 “개구리밥 게놈 데이터는 식물이 성장하는 과정에서 발생하는 식물 내부의 상호 작용에 대한 통찰력을 제공한다”고 말했다.

개구리밥은 유전자가 식물 성장의 다양한 활동에 어떻게 기여하는지 하는 식물 성장의 중요한 특성을 연구하는 모델이 될 가능성이 높다.

이번 연구는 식물 생물학에 대한 기본 지식을 넓힐 뿐만 아니라 농작물과 농업을 개선할 수 있는 가능성을 제공한다고 연구팀은 밝혔다.

개구리밥 연구는 식물이 성장하고 생존하는 데 있어서 필요한 다양한 기능 사이의 이해관계의 충돌을 어떻게 균형을 이루는지에 대해서도 깊은 통찰력을 제공한다.

과학자들은 이번 연구가 특수한 기능을 가진 식물을 설계하는 데 도움을 준다고 생각한다. 예를 들어 기후 변화를 해결하기 위해 탄소 저장량이 대폭 늘어난 새 식물을 설계하는 연구에 이용될 수 있다.

논문의 제1저자인 소크 연구소의 토드 마이클(Todd Michael) 연구교수는 “효모, 박테리아, 벌레와 같은 정말 단순한 유기체 덕분에 과학의 많은 발전이 이루어졌다”고 말했다.

마찬가지로 개구리밥 같은 아주 간단한 식물을 이용해서 무엇이 식물을 식물답게 만드는지에 대한 가장 기본적이면서도 중요한 원리를 발견할 수 있다.

원문기사 : https://www.sciencetimes.co.kr/news/%ec%8b%9d%eb%ac%bc-%ec%a4%91-%ea%b0%80%ec%9e%a5-%eb%b9%a8%eb%a6%ac-%ec%9e%90%eb%9d%bc%eb%8a%94-%ea%b0%9c%ea%b5%ac%eb%a6%ac%eb%b0%a5-%eb%b9%84%eb%b0%80-%ed%92%80%eb%a0%b8%eb%8b%a4/?cat=133